热喷涂AlCoCe非晶合金自修复涂层耐腐蚀性能及机理研究.docx

1、 热喷涂 Al-Co-Ce 非晶合金自修复涂层耐腐蚀性能及机理研究 摘 要 非晶合金因其耐蚀性能强而受到广泛的关注，其中铝基非晶合金由于比强度高、耐蚀性好、价格低廉成为新型涂层重点研发对象。本课题制备 Al86.0Co7.6Ce6.4合金并通过气雾化技术制备金属粉末，然后通过超音速火焰热喷涂技术（HVOF）制备合金涂层，并通过现代分析检测技术和腐蚀实验确定涂层的结构、耐蚀性能。实验结果表明，制备的母合金成分均匀，其成分在非晶形成范围之内。气雾化制备的小粒径合金粉末时，因其较高的冷却速度而具有一定含量的非晶结构。采用小粒径粉末制备的合金涂层结构更为致密，厚度更为均匀，耐蚀性能也更好，其耐蚀机理除

2、传统的机械保护外，还表现在涂层对基体具有较强的阴极保护作用，此外，腐蚀过程中涂层也可释放缓蚀离子（Ce3+）。关键词关键词：铝基非晶合金涂层；热喷涂；气雾化技术；耐腐蚀机理 Study on corrosion resistance and mechanism of self-repairing coatings for thermal spraying AlCoCe amorphous alloy Abstract At present,many anticorrosive coatings of amorphous alloy are favored by researchers due

3、to their strong corrosion resistance.Because of high specific strength,good corrosion resistance and low price,al-based amorphous alloy has become the key research and development object of new coatings.In this paper,Al86.0Co7.6Ce6.4 as-cast alloy was smelted.Then,metal powder was made by aerosol te

4、chnology.At last,amorphous coatings were made by high velocity oxyfuel spraying(HVOF)and the structure and corrosion resistance were characterized by modern analysis-detection technology and corrosion experiment.The experimental results show that the composition of the as-cast alloy is uniform,its c

5、omposition is in the range of amorphous formation.The small scale powder made by aerosol technology have certain content of amorphous structure due its high cooling rate.The metal coatings made by small scale powder have a more compact structure,a more uniform thickness and a better corrosion resist

6、ance performance.Besides the traditional mechanical protection,the corrosion resistance mechanism is mainly manifested in the strong cathodic protection of the coating on the substrate and the release of corrosion inhibitor particles(Ce3+)in the process of corrosion.Keywords：Aluminium base amorphous

7、 coating；Thermal spraying；Aerosol technology；Mechanism of corrosion resistance 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 铝基非晶合金.1 1.1.1 概念.1 1.1.2 非晶涂层性能.1 1.1.3 研究进展.2 1.2 热喷涂技术.2 1.2.1 概念及分类.2 1.2.2 研究进展.4 1.3 本文研究内容.5 第二章 实验方法.6 2.1 实验设备与材料.6 2.2 实验方法.7 2.2.1 母合金的冶炼及表征.7 2.2.2 气雾化制备合金粉末及表征.8 2.2.3 热喷涂技术制备合金涂层.9 2.2.4 合

8、金涂层性能的表征.10 第 3 章 实验结果与讨论.13 3.1 Al-Co-Ce 母合金性能表征及耐蚀情况.13 3.1.1 母合金结构表征.13 3.1.2 合金相结构.15 3.1.3 合金的腐蚀机理及耐蚀性能.15 3.1.4 2024 铝合金腐蚀行为研究.17 3.2 合金粉末制备和表征.19 3.2.1 粉末形貌.20 3.2.2 粉末结构.21 3.3 合金涂层表征及耐蚀性能.22 3.3.1 涂层表征.22 3.3.2 涂层耐蚀性能.25 3.3.3 封孔剂处理后合金涂层腐蚀性能.28 3.4 本章小结.30 第 4 章 结论.31 致 谢.32 参考文献.33 1 第 1 章

9、 绪论 1.1 铝基非晶合金 1.1.1 概念 金属在自然界当中具有两种存在形态，其中一种是以晶体的方式存在的，另一种金属存在方式为非晶。以晶体方式存在的金属，其原子排列具有较好周期性，金属晶体微观原子的排列方式表现为长程有序。相对于原子规则排布的晶体金属，非晶态金属原子排布方式则呈现出短程有序、长程无序。分子的排列方式上没有明显的对称性和周期性，只是在原子排列方式在比较小的范围内存在着比较规则的排列方式。由此可见，由于非晶态合金的原子排布方式导致非晶态的合金结构上没有晶界和堆垛层错等缺陷1。目前所使用的大多数合成的非晶态合金是利用高温加热后急速冷却的方法合成的，所以其在热力学的上表现为亚稳态

10、的结构，即将合金升温至晶化温度以上后等温热处理，使其克服能垒转变成为非晶体2。相比于其他的非晶态合金来说，铝基非晶合金应用方面的开发相对较晚。直到 1988 年 Inoune 等制备出铝基非晶合金后2,3，对于铝基非晶合金的研究才逐渐成为被人们所重视。当前使用的众多非晶态合金当中，铝基非晶态合金的使用最为广泛，其主要原因是铝基非晶态合金具有其他非晶态合金不可比拟的优良性能；如铝基非晶合金具有比强度高、合金硬度大等特点，其优异的性能都让铝基非晶态合金的性能优于其他的非晶态合金。现阶段使用快速凝固法和机械合金化法制备的铝基非晶合金在强度、稳定性、力学性能、耐蚀性能等方面表现尤为突出 4。所以在制备

11、方法和合金性能方面，铝基非晶态合金在高性能材料研究方面都具有广阔前景。1.1.2 非晶涂层性能 由于非晶合金具有比较高的强度、硬度和弹性，以及优异的耐蚀耐磨性能使得非晶合金具备作为一种比较好的新型涂层材料的潜能。目前非晶合金涂层未能广泛的使用在生产生活上主要原因是非晶合金在制备方面存在困难，制备方面其主要的制约因素表现在非晶形成尺寸方面。目前还没有较好的方法合成出出体积比较大的非晶合金的产品5。将非晶态合金用作涂层材料时，非晶涂层优异的特性主要体现在非晶合金涂层良好耐蚀性能方面，通过相关文献的查阅得知有关非晶涂层腐蚀机理，当下主要有两种观点。一种观点认为，在非晶合金涂层发生腐蚀时，主要是涂层内

12、部的的氧化物、纳米晶界等含有缺陷的地方优先出现腐蚀。另一种观点则支持非晶涂层发生的腐蚀是均匀的，这两种观点对于非晶2 涂层耐蚀性机理方面的研究都具有重要指导意义6。通过研究明确涂层的腐蚀机理，方可更好的开发非晶涂层。相比于普通的合金涂层，非晶涂层的优异的耐蚀效果源于其涂层成分皆为非晶合金，非晶合金没有明显的晶界，从而有效的抑制了晶界腐蚀的发生7。此外非晶合金的另一个优良的性能就是，非晶涂层具有较高的硬度和优异的耐磨性能,一些铝基非晶合金涂层的拉伸强度甚至可以达到 1500 MPa8。1.1.3 研究进展 目前关于非晶合金的制备工艺大概有十多种之多6，其中铝基非晶合金的制备工艺却不是很多。目前主

13、要是采用机械合金法和急冷法，然而这两种方法目前还不能够制备出块体较大完整的非晶态合金，只能够制备非晶带、粉末和丝等。对于较大块状非晶态合金的制备方法还处于完善当中9。就现阶段研究而言，在众多的非晶合金当中，铜基、铁基等非晶合金被证明与其相同成分的晶体而言，其材料的耐蚀性能更加优异。其中铝基非晶体合金相比于其他的非晶体合金，更加廉价10，具有更高的强度。对比于铁基合金，铝基非晶合金塑性更好。美国佛吉尼亚大学的 Scully 的课题组对铝基非晶体涂层进行研究和制备的时发现Al-Co-Ce 体系的非晶体合金能表现出较高的点蚀电位，在海洋环境下的耐蚀效果也更为明显。对于其他自腐蚀电位较高的金属能提供较

14、强的阴极保护作用，除此之外，部分铝基非晶合金作为涂层在发生腐蚀现象的时候能够释放缓蚀离子11，因此具备比较好的主动缓蚀效果。铝基非晶涂层的研究在近几年都是比较热门的，在这种趋势的带动下，对于非晶涂层的喷涂技术的研究发展也逐渐加快，美国密苏里大学分校的 Van Aken 和 Kato 采用了大气等离子喷涂技术制备的 Al-Co-Y 非晶合金涂层在进行实验时表明12，就目前的喷涂技术而言，在喷涂的时候都会形成一定量的晶体相和氧化相。所以目前还没有任何一种技术能够制得百分百的铝基非晶合金涂层。近年来，对于非晶合金的制备，采用机械合金化（MA）制备出的非晶合金当中合金的成分范围比较的广泛13,14，合

15、金的粉末易于成型，和其他的制备方法相比，机械合金化法技术便于操作，便于工业化生产，所以机械合金化法制备铝基非晶合金具备较好的研发前景。1.2 热喷涂技术 1.2.1 概念及分类 热喷涂根据所用热源的不同可以分为：电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂，即利用电弧、火焰或者等离子热源将材料快速溶解，使涂层材料变成熔化、半熔化等状态，然后用喷枪将其快速喷涂到基体材料表面，涂层材料在快速冷却的过程当中就会在基体表面连续沉积成为3 涂层15。热喷涂技术相对于其他喷涂技术如静电喷涂、无气喷涂等操作技术相对比较简单，涂层的可控厚度范围比较宽，目前热喷涂在合金、陶瓷、塑料以及复合材料涂层方面的应用比较广泛16。此外

16、热喷涂法还具备如下几个特点：制备方法简单、喷涂装备简便，可以现场施工；工艺灵活，操作程序少；适应性较强，不受工件尺寸及施工地的限制。热喷涂除喷焊外对基材加热温度相对较低，整个过程中工件变形性较小，基体金相组织及性能的变化相对较小。这些优点都使得热喷涂技术广泛的应用在航天航海，海洋化工以及钢铁化工等领域17。热喷涂技术示意图如图 1-1 所示 图 1-1 热喷涂技术示意图 热喷涂涂层最为显著的特点是层状结构比较明显，另外由于加热的时间比较短，喷射的速度比较快所以会出现一些涂层粒子没有熔化，在喷涂后的涂层中会出现大小不一的粒子，导致涂层出现了比较明显的孔隙18。此外涂层和基体的结合强度、涂层致密度、喷涂设备和喷涂原料方面还存在缺陷。热喷涂在近几年的发展速度较快，在以往的热喷涂技术的基础上又相继出现了超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂（HVOF）、反应热喷涂、激光喷涂以及冷空气动力喷涂等19。(1)超音速火焰喷涂 相比于其他热喷涂技术超音速火焰喷涂技术出现比较晚，首台被命名为 Jet-Kote 的超音速火焰喷枪在 1982 年前后由美国研发20。超音速火焰喷涂（High Velocity Ox